太赫兹时空分辨成像系统、成像方法及其应用技术方案

本发明专利技术涉及一种太赫兹时空分辨成像系统。该系统包括：样品放置架；探测晶体，位于样品放置架的出射面一侧；泵浦光生成装置，用于生成泵浦光以照射测试样品；太赫兹光生成装置，用于生成太赫兹光以照射测试样品，获取测试样品的信息后照射探测晶体，并调制探测晶体的折射率椭球；探测光生成装置，用于生成探测光以照射探测晶体，探测其折射率椭球，间接获取测试样品的信息；和成像设备，位于探测光经过探测晶体之后的光路中，用于采集测试样品的太赫兹图像。本发明专利技术将太赫兹焦平面成像技术引入太赫兹时间分辨光谱测量系统中，实现对测试样品光致特性的时空分辨成像测量，获取四维光谱信息，实现对测试样品光致特性的时空演变过程的全面准确的观测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学领域，尤其涉及一种太赫兹时空分辨成像系统、成像方法及其应用。
技术介绍
随着半导体制造工艺和材料的发展，电子芯片的运算速度更高、面积更小、成本更低。由于半导体在外部激励下的相变过程是由其载流子的输运特性所决定的，因此对载流子输运现象的研究是半导体器件研发的基础。太赫兹(Terahertz,简称THz)脉冲技术作为一门独特的远红外测量手段，在目前的科学研究和工业检测中已经展现了其重要的应用潜力。尤其在对半导体载流子特性的研究中，由于太赫兹脉冲具有光子能量低、脉宽窄等特性，既不会对载流子的浓度和输运造成很大影响又可以实现瞬态测量，因此太赫兹时间分辨光谱技术已经成为了半导体器件研发中一项不可或缺的研究方法。图1是现有技术中研究半导体上载流子特性采用的太赫兹时间分辨光谱技术的光学示意图，如图1所示，利用SOOnm近红外光I泵浦半导体样品101，激发其光致特性，再由太赫兹脉冲II与半导体样品101相互作用，携带样品瞬态信息，最后由太赫兹光II与探测光III经过探测晶体102，通过电光采样法测量太赫兹脉冲，观察半导体的瞬态变化。太赫兹测量技术是相干测量，可以同时获得光谱的振幅和相位信息，进而实现对半导体瞬态光学常数的精确分析。由于产生的载流子在半导体上存在浓度梯度，会形成横向和纵向的扩散。一方面，在扩散过程中，载流子会相互碰撞直接复合，或者与半导体中含有的杂质发生相互作用形成间接复合。另一方面，如果存在外加电场或内建电场，载流子会出现漂移运动，并且会与半导体电离杂质和晶格振动产生散射。这些过程都会导致半导体的整体光学性质呈现不均匀性。然而，尽管传统的太赫兹时间分辨光谱技术具有诸多优势，但由于它测量方式的限制，需要将太赫兹光斑聚焦于样品上一点进行探测，所以它只反映了载流子的时域变化特性，并不能呈现出载流子由于扩散现象和漂移现象引起的空间分布特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服利用传统太赫兹时间分辨光谱技术研究半导体的光致载流子演变过程的局限性，以实现对其空间分布特性的研究。为实现上述目的，本专利技术提供了一种太赫兹时空分辨成像系统。包括:样品放置架，用于放置测试样品；探测晶体，位于所述样品放置架的出射面一侧；泵浦光生成装置，用于生成泵浦光，所述泵浦光用于照射所述测试样品使所述测试样品产生光致结果；太赫兹光生成装置，用于生成太赫兹光，所述太赫兹光用于照射所述测试样品，获取所述测试样品的信息后照射所述探测晶体，并通过电光效应调制所述探测晶体的折射率椭球；探测光生成装置，用于生成探测光，所述探测光用于照射所述探测晶体以探测所述探测晶体的折射率椭球，间接获取所述测试样品的信息；和成像设备，位于所述探测光经过所述探测晶体之后的光路中，用于接收所述探测光，采集所述测试样品的太赫兹图像。优选地,所述成像设备为电荷稱合元件((XD摄像头)。优选地,所述测试样品为Si半导体或GaAs半导体。优选地，所述探测晶体紧贴所述样品放置架。优选地，所述探测晶体为具有电光效应的电光晶体。优选地，所述电光晶体为ZnTe晶体或GaP晶体。优选地，所述太赫兹光生成装置包括太赫兹产生光生成装置和太赫兹产生晶体；所述太赫兹产生光生成装置用于产生太赫兹产生光；所述太赫兹产生光用于照射所述太赫兹产生晶体以产生所述太赫兹光。优选地,所述太赫兹产生晶体为ZnTe晶体、LiNbO3晶体或GaAs晶体。优选地，所述泵浦光生成装置、所述探测光生成装置与所述太赫兹产生光生成装置为同一个飞秒脉冲激光器。优选地，所述飞秒脉冲激光器生成的激光束为中心波长为800nm，脉冲持续时间为50fs，重复频率为IkHz的水平线偏振光。优选地,所述太赫兹时空分辨成像系统还包括:偏振分束棱镜，位于所述水平线偏振光的光路中，用于将所述水平线偏振光分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光即水平线偏振光和竖直线偏振的泵浦光；λ /2波片，位于所述偏振分束棱镜的入射面一侧，用于调节所述水平线偏振光和泵浦光的相对光强；偏振分束棱镜，位于所述水平线偏振光的光路中，用于将所述水平线偏振光分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光即水平线偏振的太赫兹产生光和竖直线偏振的探测光；和λ /2波片，位于所述偏振分束棱镜的入射面一侧，用于调节所述太赫兹产生光和探测光的相对光强。优选地，所述时空分辨成像系统还包括机械斩波器，与所述成像设备电连接，用以控制所述成像设备对所述测试样品的太赫兹图像进行同步采集。所述机械斩波器位于所述泵浦光照射所述测试样品之前的光路中以调制泵浦光输出的重复频率，或位于所述太赫兹产生光照射所述太赫兹产生晶体之前的光路中以调制所述太赫兹产生光输出的重复频率。优选地，所述时空分辨成像系统还包括第一凹透镜和抛面镜，所述第一凹透镜和抛面镜用于对所述太赫兹光进行扩束；所述第一凹透镜位于所述太赫兹产生晶体的入射面一侧；所述抛面镜位于所述太赫兹产生晶体的出射面一侧。优选地，所述时空分辨成像系统还包括:λ /2波片，位于所述探测光照射所述探测晶体之前的光路中，用于控制所述探测光的偏振方向；和偏振片，位于所述λ/2波片的出射面一侧，用于对所述探测光的偏振态进行保偏。优选地，所述时空分辨成像系统还包括第二凹透镜和第三凸透镜，所述第二凹透镜和第三凸透镜用于对所述探测光进行扩束；所述第三凸透镜位于所述探测光照射所述探测晶体之前的光路中；所述第二凹透镜位于所述第三凸透镜入射面一侧的焦点处。优选地，所述时空分辨成像系统还包括纳米铟锡金属氧化物(ITO)导电玻璃，位于所述样品放置架入射面一侧，用于将所述泵浦光和所述太赫兹光进行重合后照射到所述测试样品上。优选地，所述时空分辨成像系统还包括半反半透镜，位于所述探测光与探测晶体轴线的交汇处，用于对所述探测光以相等的比例进行反射和透射。优选地，所述时空分辨成像系统还包括:偏振分束棱镜，位于所述探测光透过所述半反半透镜之后的光路中，用于将透过所述半反半透镜的所述探测光分成两个偏振方向互相垂直的线偏振光；λ /4波片，位于所述偏振分束棱镜的入射面一侧，用于调整所述分成的两束线偏振光的光强；第四凸透镜，位于所述偏振分束棱镜的入射面一侧，用于对透过所述半反半透镜的所述探测光进行会聚；和第五凸透镜，位于所述偏振分束棱镜的出射面一侧，用于对所述分成的两束线偏振光进行准直。优选地，所述时空分辨成像系统还包括第一电动平移台，位于所述泵浦光的光路中，用于连续改变所述泵浦光与所述太赫兹光的光程差。优选地，所述时空分辨成像系统还包括第二电动平移台，位于所述太赫兹光或所述探测光的光路中，用于连续改变所述太赫兹光与所述探测光的光程差。本专利技术还提供了一种太赫兹时空分辨成像方法。包括:将测试样品放置于样品放置架上；泵浦光照射所述测试样品，使所述测试样品产生光致结果；太赫兹光照射所述测试样品，所述测试样品对所述太赫兹光的电场产生调制；太赫兹光照射探测晶体，调制所述探测晶体的折射率椭球；探测光照射所述探测晶体，探测所述探测晶体的折射率椭球，间接获取所述测试样品的信息；调整所述探测光的偏振态为第一偏振态，利用成像设备接收所述探测光，测量所述太赫兹电场的一个偏振分量Ex改变所述探测光的偏振态为第二偏振态，利用所述成像设备测量所述太赫兹电场的另一个偏振分量Ey ；根据所述测得的太赫兹电场的两个偏振分量Ex本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述系统包括：样品放置架(201)，用于放置测试样品；探测晶体(202)，位于所述样品放置架(201)的出射面一侧；泵浦光生成装置(218)，用于生成泵浦光(I)，所述泵浦光(I)用于照射所述测试样品使所述测试样品产生光致结果；太赫兹光生成装置，用于生成太赫兹光(II)，所述太赫兹光(II)用于照射所述测试样品(201)，获取所述测试样品(201)的信息后照射所述探测晶体(202)，并通过电光效应调制所述探测晶体(202)的折射率椭球；探测光生成装置(219)，用于生成探测光(III)，所述探测光(III)用于照射所述探测晶体(202)以探测所述探测晶体(202)的折射率椭球，间接获取所述测试样品(201)的信息；和成像设备(203)，位于所述探测光(III)经过所述探测晶体(202)之后的光路中，用于接收所述探测光(III)，采集所述测试样品(201)的太赫兹图像。

【技术特征摘要】
1.种太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述系统包括: 样品放置架(201)，用于放置测试样品； 探测晶体(202)，位于所述样品放置架(201)的出射面一侧； 泵浦光生成装置(218)，用于生成泵浦光(I)，所述泵浦光(I)用于照射所述测试样品使所述测试样品产生光致结果； 太赫兹光生成装置，用于生成太赫兹光(II)，所述太赫兹光(II)用于照射所述测试样品(201)，获取所述测试样品(201)的信息后照射所述探测晶体(202)，并通过电光效应调制所述探测晶体(202)的折射率椭球； 探测光生成装置(219)，用于生成探测光(III)，所述探测光(III)用于照射所述探测晶体(202)以探测所述探测晶体(202)的折射率椭球，间接获取所述测试样品(201)的信息；和 成像设备(203)，位于所述探测光(III)经过所述探测晶体(202)之后的光路中，用于接收所述探测光(III)，采集所述测试样品(201)的太赫兹图像。2.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述成像设备为电荷耦合元件((XD摄像头)。3.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述测试样品(201)为Si半导体或GaAs半导体。4.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述探测晶体(202)紧贴所述样品放置架(201)。5.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述探测晶体(202)为具有电光效应的电光晶体。6.据权利要求5所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述电光晶体为ZnTe晶体或GaP晶体。7.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述太赫兹光生成装置包括太赫兹产生光生成装置(220)和太赫兹产生晶体(204)； 所述太赫兹产生光生成装置用于产生太赫兹产生光(IV)； 所述太赫兹产生光(IV)用于照射所述太赫兹产生晶体(204)以产生所述太赫兹光(II)。8.据权利要求7所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述太赫兹产生晶体(204)为ZnTe晶体、LiNbO3晶体或GaAs晶体。9.据权利要求7所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述泵浦光生成装置(218)、所述探测光生成装置(219)与所述太赫兹产生光生成装置(220)为同一个飞秒脉冲激光器。10.据权利要求9所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述飞秒脉冲激光器生成的激光束为中心波长为800nm，脉冲持续时间为50fs，重复频率为IkHz的水平线偏振光(V)。11.据权利要求10所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述太赫兹时空分辨成像系统还包括: 偏振分束棱镜(216)，位于所述水平线偏振光(V)的光路中，用于将所述水平线偏振光(V)分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光即水平线偏振光(VI)和竖直线偏振的泵浦光(I); λ/2波片(214)，位于所述偏振分束棱镜(216)的入射面一侧，用于调节所述水平线偏振光(VI)和泵浦光(I)的相对光强； 偏振分束棱镜(217)，位于所述水平线偏振光(VI)的光路中，用于将所述水平线偏振光(VI)分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光即水平线偏振的太赫兹产生光(IV)和竖直线偏振的探测光(III);和 λ/2波片(215)，位于所述偏振分束棱镜(217)的入射面一侧，用于调节所述太赫兹产生光(IV)和探测光(III)的相对光强。12.据权利要求1或7所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述时空分辨成像系统还包括机械斩波器(205)，与所述成像设备(203)电连接，用以控制所述成像设备(203)对所述测试样品(201)的太赫兹图像进行同步采集。13.据权利要求12所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述机械斩波器(205)位于所述泵浦光(I)照射所述测试样品之前的光路中以调制泵浦光(I)输出的重复频率，或位于所述太赫兹产生光(IV)照射所述太赫兹产生晶体(204)之前的光路中以调制所述太赫兹产生光(IV)输出的重复频率。14.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统,其特征在于,所述时空分辨成像系统还包括第一凹透镜(LI)和抛面镜(PMl)，所述第一凹透镜(LI)和抛面镜(PMl)用于对所述太赫兹光(II)进行扩 束； 所述第一凹透镜(LI)位于所述太赫兹产生晶体(204)的入射面一侧； 所述抛面镜(PMl)位于所述太赫兹产生晶体(204)的出射面一侧。15.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述时空分辨成像系统还包括: λ/2波片(206)，位于所述探测光(III)照射所述探测晶体(202)之前的光路中，用于控制所述探测光(III)的偏振方向；和 偏振片(207)，位于所述λ/2波片(206)的出射面一侧，用于对所述探测光(III)的偏振态进行保偏。16.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述时空分辨成像系统还包括:第二凹透镜(L2)和第三凸透镜(L3)，所述第二凹透镜(L2)和所述第三凸透镜(L3)用于对所述探测光(III)进行扩束；所述第三凸透镜(L3)位于所述探测光(III)照射所述探测晶体(202)之前的光路中； 所述第二凹透镜(L2)位于所述第三凸透镜(L3)入射面一侧的焦点处。17.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述时空分辨成像系统还包括纳米铟锡金属氧化物(ITO)导电玻璃(208)，位于所述样品放置架(201)入射面一侧，用于将所述泵浦光(I)和所述太赫兹光(II)进行重合后照射到所述测试样品上。18.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述时空分辨成像系统还包括半反半透镜(209)，位于所述探测光(III)与探测晶体(202)轴线的交汇处，用于对所述探测光(III)以相等的比例进行反射和透射。19.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述时空分辨成像系统还包括: 偏振分束棱镜(211)，位于所述探测光(III)透过所述半反半透镜(209)之后的光路中，用于将透过所述半反半透镜(209)的所述探测光(III)分成两个偏振方向互相垂直的线偏振光； λ/4波片(210)，位于所述偏振分束棱镜(211)的入射面一侧，用于调整所述分成的两束线偏振光的光强； 第四凸透镜(L4)，位于所述偏振分束棱镜(211)的入射面一侧，用于对透过所述半反半透镜(209)的所述探测光(III)进行会聚；和 第五凸透镜(L5)，位于所述偏振分束棱镜(211)的出射面一侧，用于对所述分成的两束线偏振光进行准直。20.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统,其特征在于,所述时空分辨成像系统还包括第一电动平移台(212)，位于所述泵浦光(I)的光路中，用于连续改变所述泵浦光(I)与所述太赫兹光(II)的光程差。21.据权利要求1所述的太赫兹时空分辨成像系统，其特征在于，所述时空分辨成像系统还包括第二电动平移台(213)，位于所述太赫兹光(II)或所述探测光(III)的光路中，用于连续改变所述太赫兹光(II)与所述探测光(III)的光程差。22.种太赫兹时空分辨成像方法，其特征在于，所述方法包括: 将测试...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新柯，张岩，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：